【產(chǎn)通社，8月11日訊】北京大學(xué)（Peking University）官網(wǎng)消息，隨著新興應(yīng)用中多樣的信號來源，長時(shí)間連續(xù)數(shù)據(jù)采集和精確模式識別等方向的演進(jìn)，對傳感器讀出前端在抗干擾能力、系統(tǒng)能耗、轉(zhuǎn)換精度等方面提出了更高的要求。人工智能研究院唐希源課題組在國際集成電路領(lǐng)域頂級會議2025 IEEE Custom Integrated Circuits Conference（CICC）上發(fā)表論文“A 4.82-μW 183.4dB-FoMSNDR CT Incremental Tracking-Zoom Sensor Readout Frontend with Floating-Gm-CCO Integrator”。

研究基于28nm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一款跟蹤縮放式傳感器讀出前端電路芯片。通過利用細(xì)量化器多比特輸出特性，在縮放架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)低開銷且高速率的快速動態(tài)范圍追蹤；進(jìn)一步提出浮動跨導(dǎo)放大器技術(shù)，并結(jié)合低頻流控環(huán)振積分器以降低高精度傳感器讀出的能耗，最終實(shí)現(xiàn)傳感器讀出前端電路能效比的新突破。該芯片在端側(cè)智能系統(tǒng)、侵入式腦機(jī)接口等對功耗敏感的場景中具有廣泛的應(yīng)用潛力。

為能夠在大幅度干擾下持續(xù)精確讀出微弱信號，需要對傳感器讀出電路在動態(tài)范圍、功耗與噪聲方面提出要求，近年來，直接連接傳感器的特殊模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的抗干擾性能而受到青睞。其中，使用縮放架構(gòu)設(shè)計(jì)的傳感器讀出電路結(jié)合了高能效的SAR粗量化器和高精度的ΔΣ細(xì)量化器，可以同時(shí)提供大動態(tài)范圍、高能效和低輸入等效噪聲。

然而，在縮放架構(gòu)的轉(zhuǎn)換過程中，變化速度較快的信號可能會超出ΔΣ細(xì)量化環(huán)路的動態(tài)范圍，導(dǎo)致讀出結(jié)果失真。為此，近期的傳感器讀出電路設(shè)計(jì)采用了動態(tài)范圍跟蹤技術(shù)，通過估計(jì)輸入信號的變化相應(yīng)地更新細(xì)量化動態(tài)范圍，從而使信號保持在細(xì)量化動態(tài)范圍內(nèi)，但現(xiàn)有的動態(tài)范圍跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式存在功耗與面積開銷大、跟蹤速度低的缺點(diǎn)，限制了傳感器讀出電路能效的進(jìn)一步提升。

針對以上新興邊緣端傳感器讀出應(yīng)用中存在的挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于快速跟蹤技術(shù)與浮動跨導(dǎo)放大器技術(shù)的跟蹤縮放式傳感器讀出前端電路芯片。針對現(xiàn)有跟蹤縮放架構(gòu)中存在的跟蹤電路高開銷與跟蹤速度低的限制，該工作提出了一種創(chuàng)新性的快速跟蹤技術(shù)，該技術(shù)利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中多比特細(xì)量化器輸出的特點(diǎn)，直接使用細(xì)量化器輸出結(jié)果對輸入信號進(jìn)行估算，從而判斷是否接近動態(tài)范圍邊緣，其電路實(shí)現(xiàn)與工作方式如圖3所示。

快速跟蹤技術(shù)通過簡化判斷邏輯實(shí)現(xiàn)了與已有電路結(jié)構(gòu)的復(fù)用，可以有效降低所需面積與功耗。此外，其無需記憶的特性允許動態(tài)范圍跟蹤以短間隔高頻率執(zhí)行，避免了傳統(tǒng)跟蹤技術(shù)中額外模擬檢測電路或輸入斜率預(yù)測電路存在的功耗高、跟蹤反應(yīng)速度慢等問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低跟蹤開銷與高跟蹤速率。

為了進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)量化級功耗，該工作提出了一種結(jié)合浮動跨導(dǎo)放大器與低頻流控環(huán)振的細(xì)量化級環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)使用相位量化器，將流控環(huán)振積分器偏置在低工作頻率以降低量化所需功耗。針對低頻流控環(huán)振引入的低共模電壓對跨導(dǎo)放大器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了浮動跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)，通過浮動電壓供電，將放大器與后級流控環(huán)振置于不同的電壓域，使放大器可在低輸出電壓下使用高能效的電流復(fù)用技術(shù)。同時(shí)，使用浮動電流源穩(wěn)定放大級工作電流，提供穩(wěn)定的放大增益。

該結(jié)構(gòu)具有噪聲效率高，偏置簡單，無需共模反饋，且不受輸出點(diǎn)共模電壓影響的特點(diǎn)，可有效配合低壓流控環(huán)振工作，實(shí)現(xiàn)整體提高電路的能效。

基于上述創(chuàng)新技術(shù)，課題組成功研制了一款28nm CMOS工藝的傳感器讀出芯片。測試結(jié)果表明，在10kHz帶寬下對傳感器信號進(jìn)行讀出時(shí)，該芯片能夠達(dá)到90.2dB的信噪比與4.91μVrms的輸入噪聲水平，且僅消耗4.82μW功耗，以183.4dB的能量效率指標(biāo)達(dá)到傳感器接口電路的國際領(lǐng)先水平。

該芯片在高能量效率、低噪聲、高輸入范圍的優(yōu)勢，有利于在物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、可穿戴設(shè)備等新興邊緣端人工智能系統(tǒng)內(nèi)傳感器接口場景中廣泛應(yīng)用。使用模擬神經(jīng)信號與高密度神經(jīng)探針的體外測試證明，該芯片可配合高阻抗高密度神經(jīng)電極完成信號采集，并可在存在大幅度激勵(lì)偽影的環(huán)境下完成無飽和的高精度信號讀出，在高密度雙向腦機(jī)接口系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用潛力。

查詢進(jìn)一步信息，請?jiān)L問官方網(wǎng)站https://news.pku.edu.cn/jxky/10ca8efd0af147049e603ddae2223fc0.htm，以及https://ieeexplore.ieee.org/document．10983329/。（張嘉汐，產(chǎn)通發(fā)布）    （完）